大容量光傳輸技術(shù)進(jìn)展與400G C+L系統(tǒng)研究

馮振華 尚文東 陸源 王朝暉 施鵠 陳勇

(1.中興通訊股份有限公司，武漢 430223；2.山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，濟(jì)南 250031)

0 引言

隨著5G、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)、超高清視頻等帶寬密集型業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)流量將持續(xù)保持高速增長(zhǎng)。據(jù)Cisco預(yù)測(cè)[1]，從2017年到2022年，全球IP數(shù)據(jù)流量年復(fù)合增長(zhǎng)率(Compound Annual Growth Rate，CAGR)將高達(dá)26%。與此同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入帶寬的要求也進(jìn)一步提升，預(yù)計(jì)在2018—2023年間全球固定接入速率和移動(dòng)接入速率將分別保持20%和27%的CAGR增長(zhǎng)率[2]。毫無(wú)疑問(wèn)，作為信息和流量的承載底座，光通信基礎(chǔ)設(shè)施將在帶寬擴(kuò)容和單波提速方面面臨巨大壓力。

基于光場(chǎng)5個(gè)獨(dú)立的物理維度和香農(nóng)容量公式，可知提升光傳輸系統(tǒng)單纖容量主要有3條途徑：一是提升單波速率；二是壓縮信道間隔，提高頻譜利用效率；三是復(fù)用更多的信道數(shù)量。提升單波速率的技術(shù)手段主要依靠先進(jìn)的光數(shù)字信號(hào)處理(Optical Digital Signal Processing，oDSP)和糾錯(cuò)編碼(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)算法來(lái)改善高階調(diào)制格式的接收性能，其次是借助于時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)或頻分復(fù)用(Frequency Division Multiplexing，F(xiàn)DM)方式來(lái)提高信號(hào)的波特率。壓縮信道間隔可能會(huì)導(dǎo)致信道間串?dāng)_(Inter Channel Interference，ICI)或碼間干擾(Inter Symbol Interference，ISI)，從而帶來(lái)串?dāng)_代價(jià)或?yàn)V波代價(jià)，犧牲傳輸性能。雖然采用超奈奎斯特技術(shù)(Faster Than Nyquist，F(xiàn)TN)對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行壓縮并在收端采用超強(qiáng)的最大似然序列估計(jì)(Maximum Likelihood Sequence Estimation，MLSE)算法可以較大程度地緩解傳輸代價(jià)[3]，但這會(huì)對(duì)相干收發(fā)機(jī)的oDSP芯片算法實(shí)現(xiàn)和功耗帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)，其實(shí)用性受到產(chǎn)業(yè)界質(zhì)疑。對(duì)于信道復(fù)用方式，波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)和偏振復(fù)用(Polarization Division Multiplexing，PDM)技術(shù)的應(yīng)用極大地提高了通信系統(tǒng)的容量，并且還可通過(guò)波段擴(kuò)展的方式進(jìn)一步挖掘單模光纖的帶寬潛能。此外，以多芯、少模光纖為代表的空分復(fù)用(Space Division Multiplexing，SDM)技術(shù)已被證明是實(shí)現(xiàn)下一代超大容量光傳輸?shù)闹匾緩健?/p>

本文將對(duì)大容量長(zhǎng)距光傳輸系統(tǒng)熱點(diǎn)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述，包括單波超400G、波段擴(kuò)展及空分復(fù)用技術(shù)；從學(xué)術(shù)界最新進(jìn)展、產(chǎn)業(yè)相關(guān)動(dòng)態(tài)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展等方面梳理大容量光傳輸?shù)募夹g(shù)發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀；對(duì)比空分復(fù)用和波段擴(kuò)展傳輸技術(shù)的商用前景，然后針對(duì)單波400G C+L系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)時(shí)傳輸試驗(yàn)研究，驗(yàn)證功率均衡對(duì)功率平坦度和傳輸代價(jià)的改善效果。

1 單波超400G技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 超400G傳輸進(jìn)展

針對(duì)超400G技術(shù)，學(xué)術(shù)界目前主要聚焦新型oDSP算法設(shè)計(jì)和離線試驗(yàn)驗(yàn)證以沖刺更高的單波速率或傳輸距離。近年來(lái)，主流設(shè)備商成為超高速大容量光通信研究的主力軍，進(jìn)展迅猛，具有代表性的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。目前，單波速率已突破1.6 Tbit/s，傳輸距離達(dá)180 km。整體來(lái)看，采用高階碼型和高波特率提高單波速率的同時(shí)需要配合使用新型低損耗光纖和低噪聲放大才可以支持更長(zhǎng)傳輸距離。在產(chǎn)業(yè)化方面，各主流設(shè)備商都競(jìng)相發(fā)布超高速傳輸產(chǎn)品，聯(lián)合運(yùn)營(yíng)商客戶開(kāi)展驗(yàn)證展示其在超400G方面的傳輸能力[11]。最近Infinera在1600 km G654E光纖上實(shí)現(xiàn)了雙載波1.6 Tbit/s信號(hào)長(zhǎng)距實(shí)時(shí)傳輸，展示了單波超400G技術(shù)現(xiàn)網(wǎng)商用部署的巨大潛力。

超400G在無(wú)中繼系統(tǒng)中的應(yīng)用也是一大熱點(diǎn)。2017年，研究人員采用遙泵放大(Remote Optical Pumping Amplifer，ROPA)技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了單波400G單跨無(wú)中繼傳輸403 km；2019年，采用單根光纖泵浦結(jié)構(gòu)，單波400G無(wú)中繼傳輸紀(jì)錄被延長(zhǎng)到482 km；2020年，光迅公司報(bào)道了單波500G無(wú)中繼實(shí)時(shí)傳輸距離可達(dá)431 km。在2021年世界光纖通信大會(huì)(Optical Fiber Communication，OFC)上，光迅公司利用優(yōu)化高階拉曼泵浦、前向和后向遙泵技術(shù)，在超低損耗大有效面積光纖上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的單載波800 Gbit/s無(wú)中繼404.39 km(跨段損耗達(dá)63.49 dB)實(shí)時(shí)傳輸[12]。

1.2 超400G關(guān)鍵技術(shù)

長(zhǎng)距400G傳輸技術(shù)分為兩代，目前是96 GBaud的概率整形(Probabilistic Shaping，PS)16QAM，最終演進(jìn)到128 GBaud的QPSK方案，背靠背OSNR性能相比于上一代約改進(jìn)1 dB，同時(shí)入纖功率提升1 dB以上。目前，少數(shù)廠家已完成96 GBaud 400G試驗(yàn)試點(diǎn)，但要在實(shí)際工程中兌現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸能力，仍需在以下關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

1.2.1 oDSP技術(shù)

從芯片層面講，相干oDSP技術(shù)主要經(jīng)歷了5個(gè)代際演進(jìn)，每個(gè)階段的技術(shù)特征如表2所示。不同代際的差異主要體現(xiàn)在單波最高速率、調(diào)制碼型以及尺寸和功耗等方面。目前，400G 16QAM的oDSP芯片，采用7 nm制造工藝，功耗約8 W，支持64 GBaud波特率。針對(duì)下一代長(zhǎng)距400G應(yīng)用，頭部oDSP廠家已發(fā)布單波1.2 T產(chǎn)品路標(biāo)，波特率最高支持140 GBaud，采用5 nm芯片制程，預(yù)計(jì)2022年下半年面世。

表1 單波超400G主要試驗(yàn)進(jìn)展

表2 相干DSP芯片代際演進(jìn)情況

在超400G oDSP算法方面，星座整形、多電子載波調(diào)制以及高性能FEC編解碼算法最為關(guān)鍵。星座整形分為幾何整形(Geometric Shaping，GS)和概率整形(Probabilistic Shaping，PS)兩種，分別如圖1(a)、(b)所示[13]。GS和PS分別通過(guò)改變星座點(diǎn)的位置和出現(xiàn)的概率，使其呈現(xiàn)特殊的分布，提供比常規(guī)QAM更好的性能。相比于GS，PS被業(yè)界更廣泛接納并成功應(yīng)用到多款商用oDSP芯片中，顯著改善部分調(diào)制模式的傳輸性能。例如，200G PS-16QAM模式的典型背靠背OSNR容限可達(dá)15.5 dB，相比于200G 16QAM性能改善2 dB以上。研究還表明，在部分場(chǎng)景下聯(lián)合使用PS和GS，傳輸性能可進(jìn)一步改善。

圖1 星座整形示意圖

多電子載波調(diào)制技術(shù)，也可稱為數(shù)字子載波復(fù)用技術(shù)(Digital Sub-Carrier Multiplexing，DSCM)，其核心思想是在數(shù)字域?qū)⒏咚傩盘?hào)切分成多個(gè)低速信號(hào)，然后調(diào)制到不同的子載波上，通過(guò)FDM的方式復(fù)用形成高波特率信號(hào)[14]。圖2為實(shí)測(cè)采用了4電子載波技術(shù)的91.6 GBaud 400G相干光信號(hào)發(fā)端光譜。采用DSCM的好處是，一方面增強(qiáng)高波特率信號(hào)對(duì)色散和濾波的容忍程度，另一方面實(shí)現(xiàn)自相位調(diào)制(Self-Phase Modulation，SPM)與四波混頻(Four Wave Mixing，F(xiàn)WM)的平衡以增強(qiáng)非線性容忍度，提升傳輸距離。目前，該技術(shù)被多廠家采納并成功應(yīng)用于商用oDSP芯片中。

圖2 400G PS16QAM信號(hào)的實(shí)測(cè)光譜

FEC技術(shù)通過(guò)采用級(jí)聯(lián)編碼和軟判決、多次迭代譯碼相結(jié)合的方式，獲取更高的凈編碼增益。表3列出了當(dāng)前常用FEC算法的性能。主要分為兩大類，一類是以開(kāi)源互通為目標(biāo)，如C-FEC和O-FEC分別被選作400 ZR標(biāo)準(zhǔn)和Open ZR+標(biāo)準(zhǔn)的推薦算法；另一類是以TPC和LDPC為代表的私有算法，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)廠家獨(dú)有的高性能譯碼，如當(dāng)前的商用FEC算法糾前誤碼門(mén)限已接近4e-2，凈編碼增益高達(dá)12 dB。值得注意的是盡管在PS系統(tǒng)中，在學(xué)術(shù)上糾前誤碼門(mén)限并不是衡量軟判FEC算法性能的客觀指標(biāo)，但實(shí)際工程中糾前BER仍是便于測(cè)量、易于理解的最直觀的FEC性能指標(biāo)。

表3 不同F(xiàn)EC算法參數(shù)與性能對(duì)比

1.2.2 超高波特率信號(hào)產(chǎn)生

在給定的速率下，提高波特率可降低系統(tǒng)等效的調(diào)制階數(shù)或允許使用更強(qiáng)的FEC算法，有助于延長(zhǎng)傳輸距離。因而，高波特率信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)對(duì)于提升400G傳輸距離至關(guān)重要。商用系統(tǒng)的波特率提升得益于DAC采樣速率和帶寬的提升，從第一代65 nm DAC芯片可實(shí)現(xiàn)40 Gsa/s～ 56 Gsa/s采樣速率，16 GHz帶寬，到如今的7 nm DAC芯片，可提供150 Gsa/s采樣速率，40 GHz帶寬，近10年內(nèi)DAC性能得到明顯改善[15]。商用高速CMOS DAC普遍采用分段式電流舵結(jié)構(gòu)，晶體管的特征頻率決定了它的帶寬上限僅為60 GHz左右[16]。另一方面，DAC的有效分辨率(ENOB)也是一個(gè)重要參數(shù)。最新商用產(chǎn)生96 GBaud信號(hào)的7nm CMOS DAC的平均ENOB可達(dá)到5.5 bit，預(yù)計(jì)該指標(biāo)短期內(nèi)難以有明顯突破。

為了進(jìn)一步提高DAC的帶寬和采樣速率，可采用BiCMOS工藝來(lái)制作模擬復(fù)用(Analog Multiplexer, AMux)DAC，不過(guò)目前這種技術(shù)僅停留在實(shí)驗(yàn)室水平。例如，Nokia Bell實(shí)驗(yàn)室研究員利用采樣率為128 Gsa/s的SiGe DAC，在ENOB> 4 @ 45 GHz，6 dB帶寬為43 GHz的條件下產(chǎn)生了128 GBaud的單波1.55 Tbit/s超高速信號(hào)[8]。又如，NTT基于InP雙異質(zhì)結(jié)二極管技術(shù)制作出模擬帶寬大于110 GHz的AMux器件，采樣速率高于190 Gsa/s，可產(chǎn)生波特率高達(dá)192 GBaud的QPSK和160 GBaud 8QAM信號(hào)[17]。借鑒示波器中的帶寬增強(qiáng)技術(shù)，采用頻率交織(FI)的方式，利用多個(gè)低速DAC將每路數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)然后通過(guò)電域混頻方式也可實(shí)現(xiàn)超高速信號(hào)的產(chǎn)生。2016年，Nokia Bell Lab基于這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)帶寬高達(dá)100 GHz，采樣率為240 Gsa/s的DAC，可產(chǎn)生190 GBaud的PAM4信號(hào)[18]。最近華為基于商用儀表，通過(guò)交織的方式產(chǎn)生了波特率高達(dá)220 GBaud的QPSK信號(hào)以及138 GBaud的1.7 Tbit/s PS-400QAM信號(hào)[19]。

在電域中，通過(guò)擴(kuò)展DAC采樣率和帶寬來(lái)提升信號(hào)波特率最終都不可避免地會(huì)受電子瓶頸的限制。利用超信道(Super-Channel)的概念，借助于等間隔的多波長(zhǎng)光頻梳，可在光域產(chǎn)生多光子載波(Optical Sub-Carrier Multiplexing，OSCM)實(shí)現(xiàn)多路低速信號(hào)的頻譜拼接，等效提升光信號(hào)的波特率和帶寬。例如，查爾默斯理工大學(xué)采用一個(gè)孤子光頻梳產(chǎn)生了8 Tbit/s的超信道，傳輸距離高達(dá)2100 km[20]。相比于常規(guī)的單載波方案，基于多光子載波的方式使用了多套光器件，短期內(nèi)在系統(tǒng)成本上不占優(yōu)勢(shì)?？紤]到光器件易于集成，以及光復(fù)用在帶寬擴(kuò)展上的潛力，這種多光子載波產(chǎn)生高波特率信號(hào)方案將為產(chǎn)生單通道3.2 Tbit/s及以上高速信號(hào)提供可行的思路。表4總結(jié)并比較產(chǎn)生高波特率信號(hào)的不同方案，考慮帶寬擴(kuò)展性和可集成性，短期內(nèi)AMux-DAC具有較高的商用可行性，而長(zhǎng)期看，多光子載波技術(shù)在產(chǎn)生更高波特率方面更有優(yōu)勢(shì)。

1.2.3 大帶寬光電器件

高性能光電器件是實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)高保真調(diào)制的基礎(chǔ)。面對(duì)長(zhǎng)距400G光傳輸應(yīng)用，系統(tǒng)的波特率大于100 GBaud，光器件的帶寬需要50 GHz以上。目前，主流供應(yīng)商基于硅光(Silicon Photonics，SiP)或銦磷(Indium Phosphide，InP)工藝平臺(tái)開(kāi)展小型化、集成化、大帶寬光收發(fā)器件研究，推出了部分準(zhǔn)商用樣品。

在2019年的OFC上，NTT針對(duì)III-V(InP)工藝平臺(tái)，推出了超100 GBaud的相干光IQ調(diào)制器[21]；2020年，NTT基于其硅光平臺(tái)推出了高帶寬相干光收發(fā)組件(Coherent Optical Sub Assembly，COSA)，調(diào)制和接收帶寬分別大于54 GHz和52 GHz，兩種集成器件示意如圖3、圖4所示[22]。Infinera公司基于InP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了雙路集成的高速相干光收發(fā)組件，包括兩套獨(dú)立的集成收發(fā)器件，總帶寬高達(dá)50 GHz，可產(chǎn)生2×800G高質(zhì)量相干光信號(hào)，同時(shí)還在內(nèi)部配備了激光器，這顯示了InP在集成光源和提升帶寬方面的優(yōu)勢(shì)[23]。在產(chǎn)品化方面，2021年5月，新飛通公司(NEO Photonics)發(fā)布了Class 60類相干光調(diào)制器和接收器樣品，支持波特率達(dá)96G以上，3 dB帶寬提升到60 GHz，適用于可插拔光模塊的平滑升級(jí)，為600G/800G速率全面升級(jí)鋪平了道路。面向未來(lái)，業(yè)內(nèi)還在開(kāi)發(fā)支持120 GBaud的Class 80類組件，進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬[24-25]。

表4 不同高波特率信號(hào)產(chǎn)生方案對(duì)比

圖3 InP雙偏I(xiàn)Q調(diào)制器

圖4 SiP集成相干光收發(fā)器

先進(jìn)的器件封裝技術(shù)也是優(yōu)化光電芯片帶寬的重要手段。目前，硅光芯片通過(guò)集成Driver的Peaking功能和2.5D/3D封裝工藝的優(yōu)化，可將調(diào)制器的3 dB帶寬從30 GHz提升到80 GHz以上(見(jiàn)圖5)。這對(duì)于超400G高階調(diào)制信號(hào)而言可帶來(lái)2 dB以上的背靠背OSNR容限改善，該技術(shù)成熟后預(yù)計(jì)可加速下一代128 GBaud長(zhǎng)距400G系統(tǒng)的商用進(jìn)程。

進(jìn)一步提升光收發(fā)器件帶寬，最近研究者將目光聚焦在新型材料上，通過(guò)硅光平臺(tái)上集成新型光電材料以增強(qiáng)器件帶寬或響應(yīng)度，如目前學(xué)術(shù)界在鈮酸鋰薄膜、石墨烯、有機(jī)聚合物、甚至表面等離子體材料方面取得一些突破，有望打破傳統(tǒng)硅光帶寬的限制，將器件帶寬做到100 GHz以上，并且提供低損耗、低半波電壓、高消光比等良好特性[26-27]。這些進(jìn)展仍只停留在實(shí)驗(yàn)室研究層面，距離實(shí)用化還需要解決與傳統(tǒng)CMOS硅光平臺(tái)兼容、低損耗耦合及高帶寬封裝等問(wèn)題。

在光系統(tǒng)核心器件方面，光放大器(Optical Amplifier，OA)和波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)(Wavelength Selective Switch，WSS)最為關(guān)鍵。目前，商用OA以摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)為主，支持C波段4 THz、4.8 THz甚至6 THz帶寬。L波段的EDFA也在開(kāi)發(fā)中，預(yù)計(jì)一兩年內(nèi)可突破5 THz甚至6 THz放大的技術(shù)瓶頸。但受限于鉺纖在長(zhǎng)波處的放大效率，L波段EDFA的噪聲指數(shù)可能比C波段劣化0.5 dB以上，模塊成本和尺寸也更大。憑借更寬的放大帶寬，SOA和DRA或許在未來(lái)的光傳輸系統(tǒng)中得到更多的關(guān)注。例如，最近Nokia Bell Lab采用SOA在100 km光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)了大于100 nm的多波段信號(hào)放大，單纖容量高達(dá)115 Tbit/s[28]。2020年，阿斯頓大學(xué)研究者采用2級(jí)DRA放大在70 km單模光纖上實(shí)現(xiàn)了從1475～1625 nm的連續(xù)放大，增益高達(dá)15 dB，最大噪聲系數(shù)8 dB[29]。目前，學(xué)術(shù)上也在關(guān)注光參量放大器(Optical Parametric Amplifier，OPA)，特別是相敏放大器(Phase Sensitive Amplifier，PSA)，以期進(jìn)一步減少線路光放的噪聲，在實(shí)現(xiàn)高增益、低噪聲放大的同時(shí)還能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，如相位噪聲壓縮、增強(qiáng)非線性容忍度、改善傳輸距離[30]。不過(guò)在頻譜效率、功率效率和放大帶寬方面距離實(shí)用化還有差距。

目前，商用WSS已經(jīng)覆蓋C波段6 THz，L波段5 THz范圍，典型插損約6 dB，端口數(shù)量高達(dá)32。采用最新的高分辨率硅基液晶(Liquid Crysal on Silicon，LCoS)技術(shù)，WSS的頻譜切片分辨率為6.25 GHz，預(yù)計(jì)工作頻帶擴(kuò)展到L波段6 THz沒(méi)有技術(shù)障礙。下一代WSS技術(shù)的重點(diǎn)技術(shù)方向是M×N型波長(zhǎng)、方向和沖突無(wú)關(guān)(Color-less, Direction-less, Contention-less, CDC)WSS。目前，Lumentum公司已開(kāi)發(fā)出8×24 的Twin-WSS，預(yù)計(jì)這將推動(dòng)CDC ROADM在400G傳輸系統(tǒng)中的商用落地[31]。

1.3 超400G標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外高速光傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作主要聚焦于物理接口及傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)規(guī)范[32]。ITU-T方面，自2018年SG15全會(huì)立項(xiàng)開(kāi)展200G和400G標(biāo)準(zhǔn)化工作以來(lái)，目前業(yè)界在應(yīng)用場(chǎng)景、調(diào)制碼型等方面達(dá)成一定共識(shí)。對(duì)于200～500 km城域應(yīng)用，單波400G選擇確定了DP-16QAM碼型。在2020年2月SG15全會(huì)上，主要討論開(kāi)展傳輸波段擴(kuò)展、推進(jìn)EVM計(jì)算腳本優(yōu)化、進(jìn)一步規(guī)范復(fù)用映射模式、城域應(yīng)用距離應(yīng)選擇OFEC等議題并取得積極成果。在IEEE方面，從2020年2月開(kāi)始，IEEE 802.3也在相干光通信領(lǐng)域開(kāi)展面向80 km DWDM應(yīng)用的100GE和400GE的標(biāo)準(zhǔn)化工作，分別在IEEE P802.3ct和IEEE P802.3cw中進(jìn)行討論，預(yù)計(jì)會(huì)在近一兩年內(nèi)完成相關(guān)規(guī)范制定。在OIF方面，2016年開(kāi)始推進(jìn)400G ZR標(biāo)準(zhǔn)制定，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低成本、可互通的400G速率80～120 km應(yīng)用的相干光傳輸技術(shù)。2020年3月，400 ZR實(shí)施協(xié)議(IA)正式發(fā)布，確定單波400G的調(diào)制格式為16QAM，F(xiàn)EC方案選擇C-FEC，支持C波段48波100 GHz間隔傳輸，OSNR容限優(yōu)于26 dB。后續(xù)還將針對(duì)75 GHz間隔及支持更遠(yuǎn)傳輸距離(ZR+)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行相關(guān)參數(shù)規(guī)范，同時(shí)面向單波800G速率，OIF也立項(xiàng)了96+GBaud器件研究和單通道224G電接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究，開(kāi)始討論800 ZR/ZR+技術(shù)方案。多源協(xié)議組織Open ZR+ MSA也發(fā)布第一版100G～400G標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)白皮書(shū)，在OIF幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加100G/200G QPSK，300G 8QAM等調(diào)制模式，并采用O-FEC替代C-FEC支持450 km級(jí)400G傳輸，部分廠家宣布已實(shí)現(xiàn)異廠家模塊互通測(cè)試。

國(guó)內(nèi)通信標(biāo)準(zhǔn)化組織CCSA的TC6小組負(fù)責(zé)光傳送和接入網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)及器件、線纜的標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前，100G高速傳輸系統(tǒng)及模塊標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制定并發(fā)布應(yīng)用，200G速率主要選擇了QPSK、8QAM、16QAM進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)要求、測(cè)試方法、模塊的大部分標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成制定并處于報(bào)批稿階段。當(dāng)前的400G技術(shù)規(guī)范主要是基于雙載波來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本質(zhì)上仍是單波200G?？紤]未來(lái)更長(zhǎng)傳輸距離、單載波更高速率的應(yīng)用需求，目前CCSA TC6正在開(kāi)展“N×400 Gbit/s長(zhǎng)距離增強(qiáng)型光波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)技術(shù)要求研究”“單波長(zhǎng)超400 Gbit/s波分復(fù)用(WDM)技術(shù)研究”“800 Gbit/s光收發(fā)合一模塊研究”等相關(guān)課題研究，以期為超400G長(zhǎng)距傳輸商用落地掃除障礙。

2 波段擴(kuò)展技術(shù)研究進(jìn)展

波段擴(kuò)展技術(shù)是繼承DWDM思想進(jìn)一步在傳統(tǒng)C波段之外擴(kuò)展可用傳輸帶寬，提高共纖傳輸?shù)牟ǖ罃?shù)量來(lái)提升單纖傳輸容量。在傳統(tǒng)C波段DWDM基礎(chǔ)上，最近兩年我國(guó)設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)了Super C波段(C6T)的擴(kuò)展，將C波段的帶寬從4 THz/4.8 THz提升到6 THz，配合80波75 GHz間隔的200G QPSK方案落地。在美國(guó)和日本部分地區(qū)，少量運(yùn)營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)廠家也正在部署C+L波段系統(tǒng)，預(yù)期將單纖容量提升一倍。與國(guó)外C4.8 T+L4.8 T的方案不同，國(guó)內(nèi)希望做到C6 T+L6 T，目前業(yè)界產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)展如表5所示。

學(xué)術(shù)界當(dāng)前也對(duì)波段擴(kuò)展光傳輸系統(tǒng)保持濃厚的研究興趣。國(guó)內(nèi)方面的研究主要是針對(duì)C和L波段的大容量光傳輸研究，武漢郵科院在2014年基于3U光傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了單模光纖C+L波段100 Tbit/s 80 km大容量傳輸[33]。國(guó)外的關(guān)注點(diǎn)是向C+L以外的波段擴(kuò)展。早在2016年，Acacia公司研發(fā)了370 nm全波段(O、E、S、C、L)工作的光收發(fā)硅光器件[34]；歐洲在2018年系統(tǒng)性地提出了多波段傳統(tǒng)相關(guān)的概念和組網(wǎng)架構(gòu)(見(jiàn)圖6)[35]。NTT和Nokia Bell Lab均試驗(yàn)展示了至少3個(gè)波段(S+C+L)的光傳輸系統(tǒng)，單波速率高達(dá)400G，單纖容量大于100 Tbit/s[28]。文獻(xiàn)[32]比較充分地梳理了該方面的研究進(jìn)展，這些研究展示了波段擴(kuò)展技術(shù)對(duì)于提升單纖總?cè)萘康木薮鬂摿Α?/p>

表5 C6T+L6T關(guān)鍵部件及核心技術(shù)具備情況

表6 功率均衡后L波段400G業(yè)務(wù)的傳輸性能

圖6 多波段光傳輸系統(tǒng)基本架構(gòu)示意圖

波段擴(kuò)展技術(shù)主要面臨三大挑戰(zhàn)：一是不同波段光纖損耗不同，對(duì)應(yīng)不同的傳輸距離，O、E波段并不適用于長(zhǎng)距傳輸系統(tǒng)；二是多波段傳輸系統(tǒng)存在強(qiáng)烈的受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering，SRS)效應(yīng)，這將導(dǎo)致光功率從短波向長(zhǎng)波轉(zhuǎn)移，影響系統(tǒng)末端的功率和OSNR的平坦度，目前多波段的光功率優(yōu)化方案的研究尚缺少實(shí)用化考慮[36]；三是光放大方案不成熟。對(duì)于摻稀土光纖放大器，除C和L波段摻鉺(Er)放大器相對(duì)成熟外，O波段摻鐠(Pr)，E波段摻鉍(Bi)，S波段摻銩(Th)有源光纖的組分摻雜理論和制備技術(shù)并不成熟可靠。分布式拉曼放大(DRA)和寬帶低噪聲SOA雖被認(rèn)為是解決多波段信號(hào)放大的重要技術(shù)手段[37]，但目前仍無(wú)法快速大規(guī)模商用。另外，擴(kuò)展波段光傳輸還需考慮多個(gè)波段信號(hào)獨(dú)立方向大和交換帶來(lái)組網(wǎng)和運(yùn)維的復(fù)雜性問(wèn)題。

3 空分復(fù)用技術(shù)研究進(jìn)展

為應(yīng)對(duì)光纖容量危機(jī)，近年來(lái)業(yè)界掀起了探索SDM技術(shù)的浪潮，很多頭部研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)競(jìng)相報(bào)道大容量SDM傳輸試驗(yàn)[33,38,39]。SDM主要依賴于多芯光纖、少模光纖以及兩者相結(jié)合的多芯少模光纖來(lái)并行傳輸多路信號(hào)，其原理分別如圖7所示，可極大地提升單纖的傳輸容量。目前，基于19芯或22芯光纖的傳輸容量已突破1 Pbit/s以上，基于10模光纖的最大傳輸容量可達(dá)400 Tbit/s，基于多芯少模結(jié)合的最大傳輸容量已達(dá)到10.66 Pbit/s，相比于常規(guī)單模光纖容量上限(100 Tbit/s)提升了2個(gè)數(shù)量級(jí)。在國(guó)內(nèi)方面，2019年武漢郵科院在采用19芯光纖將單根光纖容量提升到1 Pbit/s以上。在2021年OFC上，長(zhǎng)飛、北京大學(xué)與中國(guó)聯(lián)通合作采用200G商用OTN設(shè)備在100 km弱耦合2模光纖上成功完成單纖C波段16 Tbit/s容量的實(shí)時(shí)演示[40]，充分展示了弱耦合光纖在短距傳輸方面的擴(kuò)容優(yōu)勢(shì)。SDM系統(tǒng)中空間信道間的串?dāng)_及耦合是影響相干信號(hào)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，涂佳靜等[39]針對(duì)不同SDM系統(tǒng)串?dāng)_、放大和DSP算法復(fù)雜度等方面作了詳細(xì)對(duì)比。另外，從實(shí)用化、彎曲損耗及機(jī)械強(qiáng)度等角度考慮，SDM光纖包層尺寸設(shè)計(jì)與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(125 μm)保持一致時(shí)有利于加快商用推廣，近兩年的OFC會(huì)議上也報(bào)道了基于125 μm 3芯/4芯光纖，實(shí)現(xiàn)172 Tbit/s/319 Tbit/s大容量超長(zhǎng)距(>2000 km)傳輸[41-42]。

圖7 空分復(fù)用的主要形式

在SDM技術(shù)實(shí)用化推進(jìn)方面，2019年日本住友電工與拉奎拉大學(xué)合作在意大利拉奎拉市地下隧道首次鋪設(shè)了含18根多芯光纖的光纜，長(zhǎng)度6.29 km，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明了空分復(fù)用傳輸初步具備從試驗(yàn)室理想環(huán)境走向復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)傳輸應(yīng)用的條件。在2020年1月的ITU-T會(huì)議上同意開(kāi)始SDM光纖光纜標(biāo)準(zhǔn)化研究，討論焦點(diǎn)在于SDM的優(yōu)勢(shì)和目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景，以及SDM光纖的分類，具體研究涵蓋多芯光纜、光纖熔接、連接器、光纜鋪設(shè)等相關(guān)技術(shù)，在2022年發(fā)布的研究報(bào)告中預(yù)計(jì)也會(huì)加入空分復(fù)用光纖參數(shù)規(guī)范和測(cè)試方法要求等相關(guān)內(nèi)容。2021年日本已經(jīng)發(fā)布了一版空分復(fù)用技術(shù)研究報(bào)告[43]。國(guó)內(nèi)CCSA也已立項(xiàng)了P比特超大容量光傳輸相關(guān)的研究課題，運(yùn)營(yíng)商、高校及設(shè)備商也在參與建設(shè)粵港澳大灣區(qū)的“超級(jí)光網(wǎng)絡(luò)”，開(kāi)展多芯光纖傳輸示范驗(yàn)證工作，為空分復(fù)用技術(shù)落地進(jìn)一步奠定基礎(chǔ)。

圖8 C+L波段光傳輸系統(tǒng)配置圖

與波段擴(kuò)展技術(shù)相比，空分復(fù)用主要優(yōu)勢(shì)在于更多的空間信道數(shù)換來(lái)更大容量，而劣勢(shì)在于需要重新鋪設(shè)新光纖，開(kāi)發(fā)新的光系統(tǒng)器件，甚至光模塊oDSP芯片，管理更多空間信道和波長(zhǎng)信道數(shù)量也增強(qiáng)了系統(tǒng)管控的復(fù)雜度，目前技術(shù)成熟度較低。而波段擴(kuò)展技術(shù)相對(duì)成熟，特別是C+L系統(tǒng)，光纖基礎(chǔ)設(shè)施資源可利舊，僅需部署波段合分波器和光放，在擴(kuò)容的同時(shí)最大保護(hù)現(xiàn)有投資，因而波段擴(kuò)展技術(shù)在短期內(nèi)更有商用前景。由于單波速率提升、C+L波段擴(kuò)展等方式在3～5年內(nèi)仍可進(jìn)一步釋放擴(kuò)容潛力，滿足流量承載需求，因此SDM技術(shù)短期內(nèi)仍不會(huì)有機(jī)會(huì)在長(zhǎng)距傳輸中大規(guī)模商用。SDM技術(shù)廣泛商用前的研究目標(biāo)主要有3個(gè)：一是突破基礎(chǔ)器件產(chǎn)業(yè)化瓶頸；二是推動(dòng)業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化落地；三是在數(shù)據(jù)中心互聯(lián)、海纜光傳輸?shù)葓?chǎng)景中推廣SDM小規(guī)模應(yīng)用。

4 400G C+L系統(tǒng)傳輸性能研究

鑒于C+L系統(tǒng)良好的商用前景，本文基于商用相干光模塊和器件，搭建C+L大容量實(shí)時(shí)光傳輸系統(tǒng)，對(duì)波段擴(kuò)展的長(zhǎng)距400G傳輸性能展開(kāi)研究(見(jiàn)圖8)。在試驗(yàn)中，光系統(tǒng)(EDFA和WSS)均支持C6T或L5T帶寬，但受限于400G OTU的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍，C和L波段各放置40波，100 GHz間隔。其中，C和L波段各有39個(gè)ASE填充波和1個(gè)實(shí)時(shí)400G相干光模塊(OTU)，采用91.6 GBaud PS16QAM調(diào)制。光纖鏈路包含5個(gè)G652光纖跨段，每段75 km，損耗調(diào)整至約22 dB，C和L波段分別采用一個(gè)EDFA來(lái)補(bǔ)償跨段損耗，在放大前后均有一個(gè)WDM合分波器，其典型插損約0.6 dB。在初始狀態(tài)下，C和L波段每個(gè)EDFA輸出功率為21.6 dBm，斜率均為出廠默認(rèn)值。

由于長(zhǎng)距400G在C波段的性能在之前的研究中已經(jīng)報(bào)道[44]，91.6 GBaud PS16QAM的背靠背OSNR約為17 dB，本文主要驗(yàn)證C+L波段的功率均衡方案，分析均衡前后光功率演進(jìn)，并研究L波段400G信號(hào)的傳輸代價(jià)。

首先研究初始入纖條件下，每個(gè)跨段的輸入和輸出的單波功率演進(jìn)情況，具體參見(jiàn)圖9。經(jīng)過(guò)光纖傳輸后功率平坦度下降，這主要是光纖中的SRS效應(yīng)及OA增益不平坦導(dǎo)致。5個(gè)跨段傳輸后C波段的不平坦度約8.6 dB，功率隨波長(zhǎng)變化的斜率為-2.28 dB/THz；L波段不平坦度約3.7 dB，功率隨波長(zhǎng)變化的斜率為-0.93 dB/THz。可見(jiàn)C+L光系統(tǒng)必須要功率管理，否則5跨段傳輸后光功率平坦度不能滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求。

針對(duì)傳輸后的功率不平坦度和功率變化斜率，對(duì)每段光纖前的EDFA進(jìn)行功率預(yù)均衡，功率均衡策略是既要考慮傳輸后的平坦度，又要限制C波段的最高入纖功率，避免較大的非線性。在試驗(yàn)中，通過(guò)迭代調(diào)整每個(gè)光放的增益和斜率實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸后平坦度和斜率50%程度的補(bǔ)償，并且在調(diào)整過(guò)程中保證C波段的EDFA為相同的斜率，L波段的EDFA為另一斜率。功率均衡后的C波段的OA增益斜率幾乎是L波段的2倍，對(duì)應(yīng)每跨段輸入與輸出功率演進(jìn)情況如圖10所示。

圖9 初始功率入射條件下每個(gè)跨段的功率演進(jìn)情況

圖10 功率均衡后每個(gè)跨段的功率演進(jìn)情況

經(jīng)過(guò)增益和斜率調(diào)整后，L波段的入纖功率比C波段平均小2 dB，這主要是獲益于SRS效應(yīng)。C+L系統(tǒng)5跨段傳輸后功率不平坦度和斜率分別為：C波段4.6 dB，斜率為-1.2 dB/THz；L波段為1.9 dB，斜率為-0.4 dB/THz，滿足預(yù)期的功率均衡目標(biāo)。

均衡前系統(tǒng)最低的OSNR出現(xiàn)在C波段最短波，僅為24.3 dB；而功率均衡后系統(tǒng)的最差OSNR約為25.0 dB，出現(xiàn)在L波段的短波長(zhǎng)處。功率均衡后C波段的OSNR整體提升了近2 dB，系統(tǒng)的OSNR瓶頸則僅改善了0.7 dB，這主要是受限于目前L波段光放的噪聲指數(shù)(NF)現(xiàn)階段差于C波段。

L波段不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的每跨段入纖功率及對(duì)應(yīng)的400G業(yè)務(wù)的傳輸代價(jià)如表6所示。從上述結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)功率均衡后，C+L系統(tǒng)中L波段的功率相比于初始功率水平約下降了2 dB，因而其整體上的非線性代價(jià)也較小，375 km光纖傳輸后400G PS-16QAM的非線性代價(jià)約0.2 dB。當(dāng)然非線性代價(jià)較低也得益于該模塊采用了多電子載波設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了對(duì)非線性的容忍度。

以上研究證明了C+L系統(tǒng)采取功率均衡策略的必要性。一方面，功率均衡可以改善收端的功率平坦度，并提升C波段短波長(zhǎng)處的OSNR；另一方面，功率均衡后L波段在保證收端OSNR基本不受影響的前提下，其入纖功率可得到明顯降低，可將非線性代價(jià)保持在較小的水平，這將為波段擴(kuò)展光傳輸技術(shù)在長(zhǎng)距高速系統(tǒng)應(yīng)用提供有效的指導(dǎo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了大容量光傳輸系統(tǒng)在單波超400G、波段擴(kuò)展和空分復(fù)用技術(shù)的研究進(jìn)展和業(yè)界情況，并展示了C+L系統(tǒng)的單波400G實(shí)時(shí)傳輸研究結(jié)果。目前，100G、200G是商用OTN干線傳輸?shù)闹髁魉俾剩瑔尾?00G已在城域網(wǎng)中部署，預(yù)計(jì)2～3年內(nèi)單波400G在干線中也將迎來(lái)規(guī)?；渴稹?6 GBaud PS16QAM 400G方案作為初級(jí)解決方案，在傳輸性能和成本上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，預(yù)計(jì)在國(guó)內(nèi)干線規(guī)模應(yīng)用驅(qū)動(dòng)力不足。128 GBaud的大帶寬光器件和oDSP芯片技術(shù)預(yù)計(jì)在1～2年內(nèi)能逐步成熟，成本得到合理控制后將是長(zhǎng)距400G的理想解決方案。伴隨單纖80波的需求，基于C+L波段擴(kuò)展的C6T+L6T方案預(yù)計(jì)也會(huì)結(jié)合400G OTN技術(shù)一同商用，實(shí)現(xiàn)單纖速率和容量雙提升。但空分復(fù)用技術(shù)預(yù)計(jì)在未來(lái)5內(nèi)仍處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，商用化部署動(dòng)機(jī)不強(qiáng)，時(shí)機(jī)不明朗。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，單波400G相關(guān)的高速光傳輸物理接口正在國(guó)內(nèi)外有序推進(jìn)，大部分已經(jīng)完成，更高速率如800G也快速引發(fā)業(yè)界關(guān)注和討論。未來(lái)需要根據(jù)實(shí)際需求，協(xié)同推動(dòng)選擇合理的單波速率、波段擴(kuò)展方案，甚至空分復(fù)用光纖類型，為5G新基建甚至潛在的6G場(chǎng)景探索最合適的技術(shù)路線。